Auf der Grundlage der Definition des Modells der Übertragungsleitung, die in der vorangegangener Artikel, Die Übertragungsleitungen haben folgende Auswirkungen auf den gesamten Schaltkreis:
- Reflektierte Signale
- Verzögerung und Zeitfehler
- Falsches Schalten
- Überschwingen/Unterschwingen
- Induziertes Rauschen (oder Nebensprechen)
- Elektromagnetische Interferenz (EMI) Strahlung
1. Reflektierte Signale
Wenn eine Leiterbahn nicht richtig abgeschlossen ist (Impedanzanpassung), werden Signalimpulse von der treibenden Seite am empfangenden Ende reflektiert. Dies führt zu unbeabsichtigten Effekten und verzerrt das Signalprofil. Wenn die Verzerrung zu stark wird, kann sie verschiedene Fehler verursachen, die zu einem Ausfall des Designs führen. Gleichzeitig wird das verzerrte Signal anfälliger für Rauschen, was wiederum zu Designfehlern beiträgt. Werden diese Faktoren nur unzureichend berücksichtigt, erhöht sich die EMI erheblich, was sich nicht nur auf das Design selbst auswirkt, sondern möglicherweise zu einem systemweiten Ausfall führt.
Hauptursachen für reflektierte Signale: übermäßig lange Leiterbahnen, nicht angepasste Abschlüsse von Übertragungsleitungen, übermäßige Kapazitäten oder Induktivitäten und Impedanzfehlanpassungen.
2. Verzögerungs- und Timing-Fehler
Signalverzögerung und Timing-Fehler äußern sich darin, dass Signale eine Zeit lang nicht übergehen, während sie zwischen logischen Pegelschwellen schwanken. Eine übermäßige Verzögerung kann zu Timing-Fehlern und Gerätefehlfunktionen führen.
Probleme treten typischerweise bei mehreren Empfängern auf. Schaltungsentwickler müssen die schlimmstmöglichen Verzögerungen ermitteln, um die Korrektheit des Entwurfs zu gewährleisten. Ursachen für Signalverzögerungen: Überlastung der Treiber, übermäßig lange Leiterbahnen.
3. Mehrere Fehler beim Überschreiten der Logikebene
Signale, die in der Nähe von Schwellenwerten für logische Pegel oszillieren, können diese Grenzen wiederholt überschreiten und diese Fehlerart verursachen. Fehler durch mehrfaches Überschreiten der Logikebene stellen eine besondere Form der Signaloszillation in der Nähe der Logikschwellen dar und stören die Logikfunktionalität. Ursachen für reflektierte Signale: Übermäßig lange Leiterbahnen, unterminierte Übertragungsleitungen, übermäßige Kapazitäten oder Induktivitäten und Impedanzfehlanpassungen.
4. Überschwingen und Unterschwingen
Über- und Unterschwinger entstehen entweder durch zu lange Leiterbahnen oder zu schnelle Signalübergänge. Obwohl die meisten Komponenten über Eingangsschutzdioden an ihren Empfangsseiten verfügen, können diese Überschwingungspegel manchmal den Spannungsbereich der Komponente weit überschreiten und Schäden verursachen.
5. Nebensprechen
Übersprechen tritt auf, wenn ein auf einer Leitung übertragenes Signal ein entsprechendes Signal auf einer benachbarten Leitung auf der Leiterplatte induziert.
Das Übersprechen wird reduziert, wenn die Signalleitungen näher an den Masseflächen liegen und wenn der Abstand zwischen den Leitungen vergrößert wird. Asynchrone Signale und Taktsignale sind anfälliger für Nebensprechen. Daher umfassen Entkopplungsmethoden die Verlagerung des Signals, das das Übersprechen verursacht, oder die Abschirmung des stark betroffenen Signals.
6. Elektromagnetische Strahlung
EMI (Elektromagnetische Interferenz) umfasst Probleme im Zusammenhang mit übermäßiger elektromagnetischer Strahlung und der Empfindlichkeit gegenüber dieser Strahlung. EMI tritt auf, wenn ein digitales System beim Einschalten elektromagnetische Wellen in seine Umgebung abstrahlt und dadurch den normalen Betrieb von elektronischen Geräten in der Nähe stört. Die Hauptursachen sind zu hohe Betriebsfrequenzen und eine unsachgemäße Auslegung/Verlegung. Es gibt zwar EMI-Simulationssoftware, aber diese Tools sind kostspielig, und die Konfiguration von Simulationsparametern und Randbedingungen ist eine Herausforderung, was sich direkt auf die Genauigkeit und Praktikabilität auswirkt. Der gängigste Ansatz ist die Anwendung von EMI-Kontrollregeln in jeder Phase des Entwurfsprozesses, um eine regelbasierte Kontrolle während des gesamten Entwurfsprozesses zu ermöglichen.
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